CHARMM

Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics (CHARMM), moleküler dinamik simülasyonlarında yaygın olarak kullanılan bir kuvvet alanı (force field) ailesinin ve bu kuvvet alanlarıyla ilişkili moleküler dinamik simülasyonu ile analiz yazılım paketinin adıdır. CHARMM Geliştirme Projesi, programın geliştirilmesi ve sürdürülmesi amacıyla Martin Karplus ve Harvard Üniversitesi'ndeki araştırma grubuyla birlikte çalışan, dünyanın çeşitli ülkelerinden geliştiricilerden oluşan bir ağı kapsamaktadır. Yazılımın lisansları, akademik alanda çalışan kişi ve araştırma gruplarına ücret karşılığında sunulmaktadır.

Kuvvet alanları
Proteinler için geliştirilen CHARMM kuvvet alanları; birleşik atom (united-atom, bazen extended atom olarak da adlandırılır) modeli kullanan CHARMM19, tüm atomlu (all-atom) CHARMM22 ve bunun dihedral potansiyeli düzeltilmiş türevi CHARMM22/CMAP ile daha sonra geliştirilen CHARMM27 ve CHARMM36 sürümlerini, ayrıca CHARMM36m ve CHARMM36IDPSFF gibi çeşitli uyarlamaları içerir.

CHARMM22 protein kuvvet alanında atomların kısmi yükleri, model bileşikler ile su arasındaki etkileşimlere ilişkin kuantum kimyasal hesaplamalardan elde edilmiştir. Ayrıca CHARMM22, açık su modeli TIP3P için parametreleştirilmiştir. Buna karşın, örtük çözücü (implicit solvent) modelleriyle birlikte de yaygın olarak kullanılmaktadır. 2006 yılında ise CHARMM22/CMAP'in özel bir sürümü, GBSW örtük çözücü modeliyle tutarlı çalışacak şekilde yeniden parametreleştirilmiştir.

CHARMM22 kuvvet alanı aşağıdaki potansiyel enerji fonksiyonunu kullanır:



Bağ, bağ açısı, diyhedral açı ve bağ yapmamış atomlar arasındaki etkileşimlere ilişkin terimler, AMBER gibi diğer kuvvet alanlarında kullanılan terimlerle büyük ölçüde benzerdir. CHARMM kuvvet alanı ayrıca düzlem dışı bükülmeleri (out-of-plane bending) tanımlayan bir improper terimi de içerir. Bu terim, ardışık olarak birbirine bağlı olmayan dört atomdan oluşan herhangi bir gruba uygulanabilir; burada kuvvet sabitini, ise düzlem dışı açıyı ifade eder. Urey-Bradley terimi ise bağ ve açı terimleri tarafından hesaba katılmayan 1,3 bağ yapmamış etkileşimleritanımlayan bir çapraz terimdir; burada kuvvet sabitini, u ise 1,3 konumundaki atomlar arasındaki uzaklığı gösterir.

DNA, RNA ve lipitler için CHARMM27 kuvvet alanı kullanılmaktadır. Bazı kuvvet alanları birlikte de kullanılabilir; örneğin protein-DNA etkileşimlerinin simülasyonunda CHARMM22 ile CHARMM27 birlikte uygulanabilmektedir. Ayrıca NAD⁺, şekerler, florlu bileşikler ve benzeri moleküller için geliştirilen parametreler de indirilebilir. Kuvvet alanlarının sürüm numaraları, ilk kez kullanıldıkları CHARMM sürümünü ifade etmekle birlikte, daha sonraki CHARMM sürümlerinde de kullanılabilmektedir. Benzer şekilde bu kuvvet alanları, destekleyen diğer moleküler dinamik yazılımlarında da kullanılabilir.

2009 yılında, ilaç benzeri küçük moleküller için geliştirilen genel amaçlı bir kuvvet alanı olan CGenFF (CHARMM General Force Field) tanıtılmıştır. Bu kuvvet alanı, biyomoleküller ve ilaç benzeri moleküllerde bulunan çok çeşitli kimyasal grupları, çok sayıda heterosiklik iskelet yapısı da dâhil olmak üzere kapsayacak şekilde tasarlanmıştır. Genel amaçlı olması nedeniyle çok farklı kimyasal grupları destekleyebilse de, belirli molekül alt sınıflarını temsil etmedeki doğruluğu daha özelleşmiş kuvvet alanlarına kıyasla daha düşük olabilmektedir. Bu nedenle Mackerell'in resmî internet sitesinde, proteinler ve nükleik asitler gibi kendilerine özgü kuvvet alanları bulunan moleküller için CGenFF parametrelerinin kullanılmaması özellikle tavsiye edilmektedir.

CHARMM ayrıca iki farklı yaklaşıma dayanan polarize edilebilir kuvvet alanlarını da içerir. Bunlardan biri, dalgalanan yük (Fluctuating Charge, FQ) modeli ya da diğer adıyla Charge Equilibration (CHEQ) yöntemine dayanır. Diğeri ise Drude kabuğu (Drude shell) ya da dispersiyon osilatörü modelini temel alır.

Bu kuvvet alanlarının tümüne ait parametreler, Mackerell'in resmî internet sitesinden ücretsiz olarak indirilebilmektedir.

Ayrıca bakınız
AMBER
NAMD
GROMACS

Kaynakça